10. 单根与 Weyl 群

以下,记 Φ 为根系,l 为其秩,其位于欧氏空间 E 中,有 Weyl 群 W

graph LR;
A[基 Δ] --> B[正根 Φ⁺];
A --> C[Weyl 室 𝒞(Δ)];
B --> D[高度 ht];
C --> E[正则向量 γ];
E --> F[不可分解根 Δ(γ)];
F --> A;
G[Weyl 群 𝒲] --> H[传递作用于基];
G --> I[生成于单根反射];
I --> J[既约分解与长度];
J --> K[根翻转数 n=l];
L[不可约根系] --> M[极大根唯一];
L --> N[两种根长];
N --> O[长根与短根];

基(Base)与 Weyl 室(Weyl chamber)

基与单根

定义:基(base)与单根(simple root)

Φ 的一个子集 Δ基(base),若

  1. ΔE 的一组基(basis);
  2. 对任意根 ββ 可写为Δ 中元素的系数全为正整数或全为负整数的线性组合:
β=kαα,kαZ>0 (Z<0).

Δ 中的元素为单根(simple root)

由第一条可知 |Δ|=l,且第二条的分解是唯一的.因此我们可定义根的高度

定义:根的高度(height)

若根 β 有上述定义中的表示,则其高度(height) 为:

htβ=αΔkα.

在上述的表示中,如果这些系数均非负或非正,我们可以义所谓正根与负根:

定义:正根(positive root)与负根(negative root)

若在上述表示中,各 kα0 ,则称 β正根(positive root), 记作 β0 .若各 kα0 ,称 β负根(negative root),记作 β0
全体正根集记作 Φ+,负根集记作 Φ

例如:若 α,β 为正根,则 α+β 为正根。由此可以定义根之间的偏序关系

定义:根之间的偏序关系

αβ,若 αβ0;称 αβ,若 αβ0

单根的一个性质是:任意两个单根的夹角是钝角。

引理:任意两个单根的夹角是钝角

Δ 有基 Φ,则对任意 α,βΦ,都有 (α,β)0,且 αβ 不为根。

证明: 否则有 (α,β)>0。由基是线性基知 α,β 不共线,从而 αβ 为根(上一节的引理) ,这与根对单根的分解系数恒正或恒负矛盾。

基的存在性

定理 1:基的存在性

Φ 有基。

我们用构造性的方法证明定理 1。引入一个记号:

记号

对任意 γE,定义根系的子集

Φ+(γ):={αΦ:(γ,α)>0}.

由于有限个超平面不能覆盖全空间, {Pα:αΦ} 不能覆盖 E

为了更精确地说明,引入下面的定义。

定义:正则向量(regular vector) 与奇异向量(singular vector)

γE 正则(regular),若 γ 不在根对应的超平面之并 αΦPα 中;奇异(singuar) 向量则相反。

γ 正则时,显然有 Φ=Φ+(γ)Φ+(γ)。我们的目的即是借此进行证明。

定义:可分解向量(decomposable vector)

αΦ+(γ) 可分解(decomposable), 若可找到 β1,β2Φ+(γ) 使得 α=β1+β2不可分解(indecomposable) 否则。

则我们只需证明如下的定理。

定理 2:正则根诱导的不可分解向量为根系的单根

γE 是正则的,记 Δ(γ)Φ+(γ) 的不可分解根集,则 Δ(γ)Φ 的基。此外,Φ 的任意一个基都可以如此得到。

证明: 分步骤证明。

1. Φ+(γ) 中的每一个根都可以表示为 Δ(γ) 的非负 Z 线性表示。 否则存在 αΦ+(γ) 不能被这样表示。取 α 使 (γ,α) 为小。由 α=1α,故 α 不在 Δ(γ) 内,因此 α 可分解,设 α=β1+β2。故

(γ,α)=(γ,β1)+(γ,β2).

由于 (γ,α) 最小,且依定义知三个内积均为正,必须有 β1,β2 可表为 Δ(γ) 的非负 Z 线性表示,但这给出 α 可表为这类线性表示,矛盾。

2. 若 α,βΔ(γ),则 (α,β)0 除非 α=β 否则 αβ 依引理是一个根。由于不可能有 α=βαββα 中有一个在 Φ+(γ) 中。对第一种情况, α=β+(αβ),故 α 可分解,矛盾。对第二种情况,β=α+(βα),故 β 可分解,矛盾。

3. Δ(γ) 是线性无关集。 否则设 rαv=0vΔ(γ)rαR。将 rv 中为正的记作 sα,为负的记作 tβ,则(记) ε:=sαα=tββ。因此

(由第2步)(ε,ε)=α,βsαtβ(α,β)0,

ε=0。但

0=(γ,ε)=sα(γ,α)0,

这要求 sα=0α。同理 tβ=0β

附注

这说明在某超平面一侧的向量集,若两两呈钝角,则整个集合必线性无关。

4. Δ(γ)Φ 的基。 由于

Φ=Φ+(γ)(Φ+(γ)),

由第 1 步知 ΦΔ(γ) 的线性分解要么为非负整数系数,要么为非正整系数。另一方面 Δ(γ) 张成 E,由第 3 步知 Δ(γ) 为线性基。综上,Δ(γ) 为基。

5. 每一个基都可以由此获得。 对给定的 Δ,取一个 γ 使

(γ,α)>0,αΔ.

这是可能的:初等几何给出因为所有线性基诱导的“超平面正上半空间”之交非空。由根的同号整系数分解性质,γ 是正则的,且 Φ+Φ+(γ)ΦΦ+(γ),故二包含关系必取等。因此 Δ 包含于全体不可分解元:ΔΔ(γ)。再由 |Δ|=|Δ(γ)|=l 知取等。

由定理 2,定理 1 得证。

Weyl 室(Weyl chamber)

Pα 将空间 E 分为若干个区域。称

定义:Weyl 室(Weyl chamber)

EαPααΦ) 的每一个连通分支为一个 Weyl 室(Weyl chamber)。特别地,每一个正则向量 γ 属于一个 Weyl 室,记作 C(γ)

容易看出

性质:Weyl 室与基的关系

γ,γ 为正则向量,则

C(γ)=C(γ)Φ+(γ)=Φ+(γ)Δ(γ)=Δ(γ).

这说明:Weyl 室与基之间一一对应。

证明: C(γ)=C(γ) 当且仅当 γ,γ 位于每一个 Pα 的同侧。

定义:基础 Weyl 室(fundamental Weyl chamber)

Δ=Δ(γ)γ 诱导的基,则记 C(Δ)=C(γ),称其为关于 Δ基础 Weyl 室(fundamental Weyl chamber)

易知基础 Weyl 室是开凸集,且

性质:基础 Weyl 室的内积刻画

C(Δ)={γE:(γ,α)>0,αΔ}.

例子:B2 的一个基

书上给出了 A2 的基,这太普通,我们从 Weyl 室角度给出一个 B2 的基。
如图所示:一共 8 个根、8 个超平面(蓝线),将平面分为 8 个 Weyl 室,右上涂蓝的 Weyl 室对应于根 α,β,故 {α,β} 构成一个基。

\begin{document}
\begin{tikzpicture}
\draw[->] (0,0) -- (2,0) node[above] {$\alpha$};
\draw[->] (0,0)-- (2,2);
\draw[->] (0,0) -- (0,2);
\draw[->] (0,0) -- (-2,2) node[above right] {$\beta$};
\draw[->] (0,0) -- (-2,0);
\draw[->] (0,0) -- (-2,-2);
\draw[->] (0,0) -- (0,-2);
\draw[->] (0,0) -- (2,-2);
\draw[blue,dashed] (-3,-3) -- (3,3);
\draw[blue,dashed] (0,-3) -- (0,3);
\draw[blue,dashed] (-3,3) -- (3,-3);
\draw[blue,dashed] (-3,0) -- (3,0);
\fill[blue,opacity=.1] (0,0) -- (0,3) -- (3,3) -- cycle;
\end{tikzpicture}
\end{document}

有关 Weyl 群与根的一些性质

性质:Weyl 群元素将基送到基

σW,则 σ(Δ) 是基。

证明: 这是因为 σ(Φ)=Φ,且 σ 线性可逆。

性质: Weyl 群元素将不可分解根集送到不可分解根集

γ 为正则向量,σW,则 σ(Δ(γ))=Δ(σ(γ))

证明: σ(Δ(γ))Φ 的一个根。另一方面,对任意 αΔ(γ)

(σ(γ),σ(α))=(γ,α)>0.

考虑根 Δ(σ(γ))上述定理2 的第 5 步给出这二者相等。

性质:Weyl 群元素将 Weyl 室送到 Weyl 室

γ 为正则向量,σW,则 σ(C(γ))=C(σ(γ))

证明: 我们有

σ(C(γ))=σ(C(Δ(γ)))=σ({βE:(β,α)>0,αΔ(γ)})={σ(β):(β,α)>0,αΔ(γ)}={σ(β):(σ(β),σ(α))>0,αΔ(γ)}={βE:(β,α)>0,ασ(Δ(γ))=Δ(σ(γ))}=C(Δ(σ(γ)))=C(σ(γ)).

对偶根的基

练习10.1 :对偶根的基是基的对偶

ΦΦ对偶根系,且ΔΦ 的基,则 ΔΦ 的基。这里 Δ={α:αΔ}

证明:γE 正则,Δ=Δ(γ)。则 Φ+=Φ+(γ),且

(Φ)+(γ)={α:(α,γ)>0,αΦ}={α:(α,γ)>0,αΦ}=(Φ+)Δ.

只需证明若 αΔ,则α(Φ)+(γ) 中不可分解。否则若 α=β1+β2αΔβ1,β2Φ+,由对偶根与基的定义知 βi 的单根分解系数是非负有理数,因此 βiR+α,这要求 β1=β2=α,矛盾。

推论

λE,且 λ,ΔZ,则 λ,ΦZ

证明: 对任意 αΔ,由题知 λ,α 为整数,即由对偶根内积刻画(λ,α) 为整数。由于 ΔΦ 的基,因此对任意 βΦ 都有 (λ,β) 为整数(β 为多个 αZ 线性表示),因此 λ,β 为整数。

单根的一系列重要引理

以下证明几个非常有用的单根的引理。

正根的单根和表示

引理:正非单根给出作差形式的正根

α 是正根,但非单,则存在单根 β 使 αβ 为正根。

证明: 先说明 (α,β)>0,βΔ。否则定理2 证明的第 3 步的附注说明 Δ{α} 是一个线性无关集,但这不可能,因为 Δ 已经是一个线性基了。

因此 (α,β)>0βΔ,从而 αβ 是一个根。再由 α=γΔkγγkγ 均为正且存在 γβ 项使 kγ0(否则 α=β),αβ 必然是一个正根。

推论:正根经由一串根到达

对任意 βΦ+,其可写为

i=1kαi,αiΔ

的形式,且

βn=i=1nαi,n<k

均为根。

证明:htβ 归纳。

Weyl 群对正根的作用

引理:单根诱导的反射是除其以外正根的置换

α 为单根,则 σαα 以外的正根打到正根。

证明:βΦ+{α}β=γΔkγγ,这里 kγZ0。显然 β±α,故存在 γα 使 kγ0

另一方面,由于 σα 只翻转单根表示中的 α 项,因此 σα(β)kγ 项也大于 0。因此 σα(β) 中有正系数,因此其为正根。

特别地,σα(β)α,因为 σα(α)=α

推论:正根除以 2 的像

δ=12β0β,则 σα(δ)=δααΔ

证明: 显然。

最短简单反射乘积序列性质

引理:单根诱导反射乘积序列的缩短

α1,,αt 为单根(不需不同),记 σi=σαi。若 σ1σt1(at) 是负根,则对某个 1s<t,有

σ1σt=σ1σs1σs+1σt1.

证明:

βi=σi+1σi+1σt1(αt),0it2;βt1=αt.

由于 β00βt10,存在这样的 s 使 βs0βs10。因此 σs(βs)=βs10,但 βs 为正根,Weyl 群对除诱导元以外的正根的置换性质 给出 βs 只能为 αs (注意单根一定是正根)。

进一步,由上一章的引理

(σs+1σt1)σt(σt1σs+1)=σσs+1σt1(αt)=σβs=σαs=σs.

因此,

σ1σsσ1=i=1s1σiσsi=s+1t1σiσt=i=1s1σii=s+1t1σiσti=t1s+1σii=s+1t1σiσt=i=1s1σii=s+1t1σi.

推论:将反射表示为单根诱导的反射之积的性质

σW 表示为单根诱导的反射之积: σ=σ1σt ,且其长度 t 最小,则 σ(αt)0

证明: 由上一引理,σ1σt1(αt) 是正的:否则 σ 的表达式就可以缩短,与最小性矛盾。因此

σ(αt)=σ1σt1(αt)

是负根。

Weyl 群的性质

Weyl 群的作用与生成

现在,我们将要证明 WΦ 的根上(或等价地,Weyl 室上)有传递的置换作用,且 W 可由 Φ 的任一基诱导的“简单反射”生成。

定理:Weyl 群的性质

ΔΦ 的基。

  1. γE 正则,则存在 σW 使得 (σ(γ),α)>0αΔ。由此知 W 在 Weyl 室上的作用传递。
  2. ΔΦ 的另一个基,则存在 σW 使 σ(Δ)=Δ。由此知 W 在基之间的作用传递。
  3. α 是任一根,则存在 σW 使 σ(α) 为单根。
  4. Wσα:αΔ 生成。
  5. σ(Δ)=Δ,则 σ=idE。由此知 W 在基之间的作用简单且传递。

证明:WW 的子群,由全体 σα:αΔ 生成。我们的目标是先对 W 证明 1~3,再推标出 W=W

1.δ=12α0α,并取 σW 使得 (σ(γ),δ) 最大。若 α 是单根,显然 σασW,因此(结合上一节的第一个推论

(σ(γ),δ)(σασ(γ),δ)=(σ(γ),σα(δ))=(σ(γ),δa)=(σ(γ),δ)(σ(γ),α).

这要求 (σ(γ),α)0αΔ。因为 γ 是正则的,(σ(γ),α) 不为 0,否则 γ 将与 σ1(α)Φ 正交,矛盾。故 (σ(γ),α)>0。因此 σ(γ) 落在基础 Weyl 室 C(Δ) 中,从而 σ(C(γ))=C(Δ(σ(γ)))

2. 由于 W 是 Weyl 室上的置换,故也是基之间的同类置换。

3. 在 2 的视角下,只需证明每个根至少属于一个基。由于与 α 成比例的根只有 ±α ,超平面 Pβ(β±α)Pα 不同,故存在 γPα 使 γPββα。 取 γγ 足够近,使

(γ,α)=ε>0;|(γ,β)|>ε, βα.

只需证 αΔ(γ)。只需证 αΦ+(γ) 上不可分解。否则,设 α=β1+β2 是分解,则 (γ,α)=(γ,β1)+(γ,β2),又由 (γ,β2)>00<(γ,β1)<(γ,α)=ε,矛盾。

4. 只需证 W=W。显然 WW。 只需证每个反射 σα:αΦ 都在 W 中。由 3,存在 σW 使得 σ(α)=βΔ,于是

σβ=σσ(α)=σσασ1.

因此 σα=σ1σβσW。这就说明 WW

5. 否则,设 σ 固定 Δσ1,则 σ 固定 Δ 的正根。另一方面,由 4,可将 σ 写为长度最短的一系列简单反射之积:

σ=σ1σt,

则由单根诱导的反射之积的性质

0αt=σ(αt)=σ1σt(αt)0,

矛盾。

诱导反射的既约简单反射乘积序列表达式

定义:既约简单反射乘积序列表达式

σW,将其写为

σ=σα1σα2σαt,αjΔ,t最小

的形式,则称这一乘积表达式 既约(reduced)

定义:诱导反射关于基的长度

σ 在基 Δ 下有如上所示的既约表达式,则记 l(σ) 为其长度(length)。特别地,l(1)=0

注意:若表达式 σ1σt 既约,则表达式 σ1σk1kt) 显然也既约,否则就可以作替换了。因此若 l(σ1σt)=t,则 l(σ1σk)=k

σW 的长度的另一种刻画是:σ 作用下变为负根的正根的数量。记

定义:σ 作用下变为负根的正根数量

σW,记 n(σ)σ 作用下变为负根的正根数量,即

n(σ)=|σ(Φ+)Φ|.
引理:作用后变为负根的正根数量恰等于长度

对任意 σWn(σ)=l(σ)

证明:l(σ) 归纳。 l(σ)=0 显然——为恒等变换。设引理对所有长度小于 l(σ)τW 成立。对 σ 作既约分解为 σ=σα1σαt,记 α=αt。由前述推论σ(α)0 ,再由 简单反射置换正根n(σσα)=n(σ)1:因为 σα 置换除 α 以外的正根,且 σ(α)0 ,我们有

σσα(Φ+)Φ=σσα(Φ+{α})Φ=σ(Φ+{α})Φ.

因此

n(σ)=|σ(Φ+)Φ|=|(σ(Φ+{α})Φ)(σ(α)Φ)|=n(σσα)+1.

另一方面,l(σσα)=l(σ)1<l(σ),从而由归纳假设 l(σσα)=n(σσα)。由上即知 l(σ)=n(σ)

Weyl 群对 Weyl 室闭包的保持性

下面我们更进一步考察 W 对 Weyl 室的简单传递作用。下面的引理说明闭包

C(Δ)={γE:(γ,α)0,αΔ}

W 作用于 E基本区域(fundamental domain)E 中的任一向量恰与该集合中一点通过 W 共轭。(练习14)

注:术语“共轭”

G集中的两个元素共轭,是指其中一个元素可被 G 中元素作用变为另一个。

引理:“不出去,就固定”

λC(Δ)σW。如果 σλC(Δ) ,则 σ 是由保持 λ 的一系列简单反射的乘积;特别地,σ 固定 λ

证明:l(σ) 归纳。 l(σ)=0 时显然。对 l(σ)>0 时,由正负翻转数引理,σ 将某些正根送到负根,故不能将所有单根都送到正根。不妨令 σ(α)0α 为单根。则

0(σ(λ),σ(α))=(λ,α)0,

因为 λC(Δ). 这要求 (λ,α)=0σα(λ)=λ(σσα)(λ)=σ(λ)。再由简单反射的正根置换性并应用正负翻转数引理,l(σσα)=l(σ)1α 不再被翻转)。应用归纳假设即证。

练习14:点与基本 Weyl 室闭包的共轭

求证:E 中任一点都与 C(Δ) 中一点通过 W 共轭。

证明:γE,取 σW 使得 (σ(γ),δ) 最大,这里 δ 是全体正根之和的一半。则对任意 αΔ,由正根之和的一半在简单反射下的像的推论,我们有

(σ(γ),δ)(σα(σ(γ)),δ)=(σ(γ),σα(δ))=(σ(γ),δα)=(σ(γ),δ)(σ(γ),α).

(σ(γ),α)0αΔ 。因此 σ(γ)C(Δ)

不可约根系

定义:不可约根系(irreducible root system)

Φ 不可约(irreducible),若其不可被“正交划分”:分划为二正交子集之交。换句话说,Φ 不可表示为 Φ1Φ2 ,这里二者非空且

αΦ1,βΦ2,(α,β)=0.

如果可作这样的表示,称 Φ 可约(reducible)

例如在上一章的例子中,A1,A2,B2,G2 均为不可约的,而 A1×A1 可约。

本节中,我们先探讨不可约根系的一些性质,然后在下一节对不可约根系进行分类。

不可约根系的性质

命题:不可约根系的基不能被正交划分

Φ 不可约当且仅当 Φ 的某一根系 Δ 不能被正交划分。

证明: 先证充分性。反设 Φ 可被正交划分为 Φ1Φ2 ,则 Δ 必须完全包含于二者之一,否则 Δ 可被正交划分为 ΔΦ1ΔΦ2 。不妨设 ΔΦ1 ,这说明 (Δ,Φ2)=0 。但 Δ 是线性基,故 (E,Φ2)=0 ,这要求 Φ2=0 ,矛盾。

反过来,反设 Δ 可被正交划分为 Δ1Δ2。由Weyl 群的性质定理,每个根都与单根共轭,故 Φ=Φ1Φ2 ,这里 Φi=W(Δi)。注意到 (α,β)=0 当且仅当 σασβ=σβσα(由上一章的公式σα 保持 β 可知),且 Wσα(αΔ) 生成,Φi 的每一个根都从 Δi 中加加减减而来,故 σβ(βΔΔi) 固定 Δi 中的单根。因此 Φ 位于 E 中由 Δi 张成的子空间 Ei 中,且 (Φ1,Φ2)=0 。这导致 Φ1Φ2 中有一个为 0 ,对应的基子集也为 0

引理:极大根的存在唯一性

Φ 不可约,则关于偏序关系 Φ 中有唯一的极大根 β,且

β=αΔkαα,kα>0.

证明:β 是一个极大元,显然 β 是正根。对分解式 β=αΔkαα,作分划

Δ=Δkα>0Δkα=0=:Δ1Δ2.

我们先证 Δ2 为空集,由此得出诸 kα>0

Δ2 非空,则 (α,β)=(α,γΔ1kγγ)0αΔ2 (根之间成钝角)。由于 Φ 不可约,至少存在一个 αΔ2 使 (Δ1,α)0 。这要求存在 αΔ1 使 (α,α)<0 ,故 (α,β)<0 。由上一章引理α+β 为根,这与 β 极大矛盾。这就说明 Δ2 为空集。

因此,(α,β)>0αΔ

下设 β 为另一极大根。同理有 (α,β)>0αΔ。从而 (β,β)>0 ,由上一章引理ββ 为根,除非 β=β 。但若 ββ 为根,则 ββββ,矛盾。故 β=β,从而极大根唯一。

引理:Weyl 群在空间上的不可约表示

Φ 不可约,则 WE 上的作用是不可约的(即不存在更小的 W 不变子空间);特别地,一个根的 W轨道生成 E

证明: 一个根的 W 轨道张成 E 的一个 W 不变子空间,因此只需证第一句话即可。

E 是一个 EW不变子空间,则其正交补 (E) 也是 W不变的:(E,x)=0 给出 (E,σ(x))=(σ(E),σ(x))=0,从而 σ(x)E。容易验证若 αΦ,则要么 αE , 要么 EPα,这是因为 σα(E)=EW 不变性)。因此 αE 给出 αE,故每一根落在二者之一。这给出了 Φ 的正交分解,由不可约性知其中之一为空。但 Φ 张成 E,由此有 E=E

长根与短根

根的长度有很好的结论。

引理:不可约根系中根的长度只有两种

Φ 不可约,则 Φ 中根的长度只有两种。此外,这两种不同长度的根在 W 下分别共轭。

证明:α,β 是任意根,则 (W(α),β)0 ,因为 σ(α) 张成 E上一个引理)。如果 (α,β)0上一章的判别法给出两个根的长度平方之比只能为 1,2,3,1/2,1/3 。这就证明了第一个命题:否则必出现 43/2,矛盾。

现设 α,β 有相同的长度。将 β 换为其 W共轭可令二者不正交。由判别法,查表可知 α,β=β,α=±1 。若为 1 ,将 β 换为 σβ(β)=β 即可变为 α,β=1 。因此,

(σασβσα)(β)=σασβ(βα)=σα(βα+β)=α.

证毕。

定义:长短根

称不可约根系两种根中长的根为长根(long root),短的根为短根(short root)

最后,我们证明不可约根系中极大根是长根。

引理:不可约根系的极大根是长根

证明:α 为任一根,只需证 (β,β)(α,α)。由练习14 ,存在 σW 使 σ(α)C(Δ)。由极大根 βσ(α)0 ,故对任意 γC(Δ)(γ,βα)0 。特别地,取 γ=β,α,得 (β,β)(β,α)(α,α)